變頻調(diào)速在船舶輔機節(jié)能控制中的可行性分析

摘要：在對船舶輔機變頻節(jié)能控制的重要性進(jìn)行簡單分析后，對船舶輔機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能控制原理進(jìn)行了研究。最后，結(jié)合工程實例，詳細(xì)分析了變頻調(diào)速在船舶輔機節(jié)能控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船舶；輔機；變頻調(diào)速；節(jié)能控制

中圖分類號：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

船舶上泵、風(fēng)機等電動機，是功能最多、用途最廣、數(shù)量最多的重要輔助機械設(shè)備。常規(guī)調(diào)控方式是采用調(diào)整閥、回流閥、截止閥等設(shè)備來進(jìn)行流量、壓力等信號的靜態(tài)調(diào)控，容易引起管路、閥門等設(shè)備的密封性能遭到破壞，進(jìn)而加速泵腔、閥體的磨損和汽蝕作用，嚴(yán)重時還會引起輔機設(shè)備的損壞，影響船舶的運行安全[1]。另外，常規(guī)控制方式中，泵、風(fēng)機等大多采用異步電動機交流接觸器直接驅(qū)動模式運行，其存在起動過程的起動電流較大、機械沖擊較大，且輔機設(shè)備的電氣綜合保護性能偏差等缺點，巨大沖擊會導(dǎo)致輔機設(shè)備性能的下降，影響其使用壽命；長期運行在額定功率下，不能隨負(fù)載波動動態(tài)調(diào)節(jié)，輸出與輸入間很難實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，引起大量電能資源浪費；當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機械故障時，綜合保護設(shè)備不能瞬時動作，導(dǎo)致電機持續(xù)運行在重負(fù)荷區(qū)域，時常會引起泵、風(fēng)機的損害及電動機機燒損[2]。

1 船舶輔機變頻節(jié)能控制的重要性分析

對航運企業(yè)而言，采取有效技術(shù)措施在生產(chǎn)運營與節(jié)能環(huán)保間取得一個良好的平衡關(guān)系，是一個非常重要的研究課題。根一些統(tǒng)計調(diào)查資料表明，船舶上絕大多數(shù)泵、風(fēng)機等電機拖動系統(tǒng)均處于恒速運轉(zhuǎn)的額定運行工況。加上一些船舶輔機系統(tǒng)在設(shè)計過程中，通常按照船舶最大運行工況來進(jìn)行輔機系統(tǒng)選型，容易出現(xiàn)容量、功率選擇較大，系統(tǒng)匹配性能不優(yōu)越等問題，進(jìn)而在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)“大馬拉小車”的低效工況，引起大量電能資源浪費。因此，將新型動態(tài)節(jié)能調(diào)控技術(shù)引入到船舶輔機控制系統(tǒng)中，提高輔機系統(tǒng)運行性能水平，搞用船舶輔機系統(tǒng)的節(jié)能工作，對提高航運企業(yè)運營經(jīng)濟效益和綜合競爭實力具有非常重要的研究意義[3]。

變頻調(diào)速控制技術(shù)，是現(xiàn)代控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)綜合為一體的高效節(jié)能動態(tài)調(diào)控技術(shù)。自其投人到工程應(yīng)用中，在各行各業(yè)中發(fā)揮非常良好的作用，取得了良好的節(jié)能應(yīng)用效果，且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展。將變頻器引入到船舶輔機控制系統(tǒng)中，尤其是針對泵、風(fēng)機的運行工況特性，利用變頻調(diào)速動態(tài)控制技術(shù)來改變常規(guī)的調(diào)整閥、截止閥等靜態(tài)調(diào)控方式，能夠有效改善輔機控制系統(tǒng)的運行工況，達(dá)到提高供水、供風(fēng)質(zhì)量和降低電能資源浪費等節(jié)能降耗改造目的。

2 船舶輔機系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能控制原理

在船舶輔機控制系統(tǒng)中，主要控制對象是船舶運行過程中所需的水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、油系統(tǒng)的流量、溫度、水位、壓力等控制信號。由電機學(xué)中的相似原理知，調(diào)控系統(tǒng)在改變泵、風(fēng)機等運行轉(zhuǎn)速過程中（即電動機轉(zhuǎn)速從調(diào)節(jié)到時），其能量轉(zhuǎn)換效率基本維持不變，但其流量（）、揚程（）、及功率（）等特性參數(shù)將會發(fā)生改變，即：

（1）

從上式可以看出，轉(zhuǎn)速變換相應(yīng)船舶輔機系統(tǒng)中的特性參數(shù)也將會發(fā)生改變，這也是變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)研究的重點。按照管阻特性和揚程特性來描述泵、風(fēng)機在負(fù)荷波動過程中的調(diào)節(jié)特性詳見圖1所示：

圖1 船舶輔機控制系統(tǒng)泵、風(fēng)機動態(tài)調(diào)控特性

從式（1）和圖1來看，在常規(guī)閥門或擋板變流靜態(tài)調(diào)節(jié)方案中，交流電機始終運行在額定運行工況，只是通過閥門關(guān)小或全開來調(diào)節(jié)輔機系統(tǒng)中的管阻特性來實現(xiàn)對流量、風(fēng)壓、水位等控制調(diào)節(jié)。如，當(dāng)船舶輔機系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時，引起泵、風(fēng)機流量由變化到時：對于常規(guī)控制方式下，則通過調(diào)節(jié)閥門開度來完成管阻特性從（閥門全開）調(diào)節(jié)到（閥門關(guān)?。┕r，轉(zhuǎn)速始終處于額定運行轉(zhuǎn)速不變，即輔機系統(tǒng)從運行工況A點調(diào)控到B點，以滿足系統(tǒng)水壓、風(fēng)壓等需求；而在以變頻器為核心的變頻調(diào)速動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)中，則主要通過調(diào)節(jié)船舶輔機系統(tǒng)的揚程特性來完成流量從向的平滑調(diào)節(jié)過渡，相應(yīng)其管阻特性始終維持在閥門全開工況，電動機轉(zhuǎn)速由下降到。從圖（1）可知，在對于相同流量的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)下，常規(guī)閥門或擋板變流靜態(tài)調(diào)節(jié)方式下其電能總消耗近似于的面積值；而在以變頻器為核心的變頻節(jié)能方式下其電能總消耗近似于。相應(yīng)兩種調(diào)控方式下的電能消耗差值為（圖1中陰影部分所示），這就是變頻調(diào)速節(jié)能控制所取得的節(jié)能效果。綜上所述，采用以變頻器為核心的智能變頻調(diào)控系統(tǒng)，對原來的靜態(tài)變流閥門調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造，在相同流量調(diào)控下，其取得的節(jié)能降耗效果十分明顯，尤其對于處于連續(xù)波動調(diào)節(jié)、運行持續(xù)時間較長、用電量較大的重要輔機系統(tǒng)而言，其獲得的節(jié)省電能資源相當(dāng)可觀，且能夠有效改善輔機調(diào)控系統(tǒng)的運行性能，確保船舶具有較高的運行安全水平。

3 變頻節(jié)能技術(shù)在船舶恒壓供水節(jié)能中的應(yīng)用

一種小型船舶其供水系統(tǒng)原來控制方式是無論工作人員使用水否，均按照額定功率運行，其水泵動、靜葉調(diào)節(jié)過程中的節(jié)流損失以及無人用水時，相比設(shè)計額定運行工況下的節(jié)流損失會增加40%。從大量記錄數(shù)據(jù)表明，水泵系統(tǒng)運行效率較低，電、水等能源浪費相當(dāng)嚴(yán)重，直接影響到船舶電站的廠用電率。結(jié)合水泵大量的歷史運算數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，從理論節(jié)能潛力分析表明，如采用以變頻器為核心的變頻節(jié)能調(diào)速控制方案對水泵系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)節(jié)能調(diào)節(jié)，大致可以獲得45%的節(jié)能潛力，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。于是決定采用變頻器對水泵控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級改造，其具體的節(jié)能改造方案如圖2所示：

圖2 基于變頻器的小型船舶供水系統(tǒng)節(jié)能改造方案

按照圖2對供水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級改造后，不僅成功地將以變頻器為核心的智能自動化變頻調(diào)控系統(tǒng)引入到船舶供水系統(tǒng)節(jié)能工程中，同時實現(xiàn)了有人用水時的恒壓節(jié)能供水、無人用水時自動停運的自動調(diào)控，達(dá)到升級改造和節(jié)能降耗的目的。具體表現(xiàn)在以下多方面優(yōu)點： （1）通過變頻器的恒壓變頻調(diào)速控制，有效解決小型船舶使用壓力柜進(jìn)行供水過程中存在壓力波動較大、最大壓力過高等問題，提高了供水系統(tǒng)的性能水平和綜合使用壽命；

（2）有效克服了常規(guī)高位水箱供水模式下可能存在的壓力過小、用水不暢等問題，確保供水系統(tǒng)運行具有較高的安全可靠性；

（3）采用變頻器為核心的變頻恒壓供水系統(tǒng)，其通過內(nèi)部軟起動，有效避免了常規(guī)直接起動過程中大電流對電機設(shè)備的沖擊，其系統(tǒng)智能自動化水平較高，綜合維護較便捷，故障率較低；

（4）綜合保護功能較齊全。恒壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，具備過壓、過流、過載、故障報警等多種智能自動化保護功能和可視化、人性化操控功能；

（5）整套控制系統(tǒng)在無人用水時均處于停止工況，與常規(guī)直接額定轉(zhuǎn)速控制模式相比，可以達(dá)到40%～60%的節(jié)能效果和約20%的節(jié)水效果。

4 結(jié)束語

基于變頻器為核心的智能變頻調(diào)速控制之所以能夠?qū)崿F(xiàn)船舶輔機控制系統(tǒng)的節(jié)能，除了采用先進(jìn)的變頻控制器，以實現(xiàn)電動機輸入與輸出間動態(tài)平衡調(diào)節(jié)外，最重要的是該集成自動控制系統(tǒng)從根本上改變了船舶輔機系統(tǒng)常規(guī)的粗放式控制與運行管理模式，使得輔機系統(tǒng)的實際功率輸出能夠同步跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷波動需求而動態(tài)變化，以實現(xiàn)電能、水能等資源的按需分配和精細(xì)化管理，達(dá)到船舶輔機系統(tǒng)的節(jié)能降耗升級改造目的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 黃勝，郭春雨.船舶推進(jìn)節(jié)能技術(shù)研究與進(jìn)展[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（01）：27-32.